如何繪制和設計PCB原理圖？

2021-04-01

如何繪制和設計PCB原理圖？

甲示意圖是電氣電路的邏輯和視覺(jué)表示。這是電子產(chǎn)品設計的第一步。以前，設計人員曾經(jīng)在紙上繪制電路圖?，F在，設計人員已開(kāi)始使用PCB設計工具（M-CAD和E-CAD），這些工具簡(jiǎn)化了設計過(guò)程。建議設計人員遵循標準原理圖指南，以進(jìn)行結構合理且無(wú)錯誤的設計。

如今，設計人員使用大量的EDA（電子設計自動(dòng)化）工具，例如Altium，Allegro，Pads，Kicad，Tinycad，Express PCB等。這些設計工具可確保原理圖電路無(wú)差錯，因為它們可以持續監視邏輯和連接錯誤。設計人員需要遵循標準設計規則，以使電路可機讀。 

原理圖的重要性是什么？

原理圖是PCB設計的重要方面之一。一個(gè)好的示意圖顯示了結構良好的電路圖，清楚地描繪了各種電子組件之間的電連接。還應注意，技術(shù)上正確但擁擠的原理圖仍然是不好的，因為它可能會(huì )使設計人員感到困惑。原理圖可以找出電路中的連接，因此是一種非常有價(jià)值的故障排除工具。

繪制PCB原理圖的準則

為了獲得成功的設計，請遵循以下標準原理圖指南。 

頁(yè)面大小選擇

大多數設計工具提供不同的頁(yè)面大小。通常，這些工具會(huì )將頁(yè)面大小選擇為A4。但是，應該注意，其他各種頁(yè)面大小也是可用的。設計人員應根據電路設計的大小選擇大小。

頁(yè)面命名約定

原理圖的邏輯塊應以頁(yè)分隔?？梢允褂米帜?span>A，B，C等來(lái)命名頁(yè)面。這樣，我們可以按字母順序放置頁(yè)面。這種命名約定的示例如下所示。

A_框圖

B_電源

C_ MCU接口

D_Memory接口

E_修訂記錄

大多數設計人員經(jīng)常忽略框圖和修訂歷史記錄，以節省時(shí)間。但是，它們對于嘗試理解原理圖的其他設計師可能非常有幫助。大多數基于產(chǎn)品的組織都強制執行所有此類(lèi)協(xié)議和法規。

網(wǎng)格設置

盡管這不是設計人員的直接要求，但該工具需要具有一些參考。因此，遵循網(wǎng)格系統。擁有網(wǎng)格可以幫助設計人員正確引用零件并進(jìn)行連接。電路組件和連接必須始終在網(wǎng)格上，這有助于在分析過(guò)程中探測網(wǎng)絡(luò )。

頁(yè)面標題欄

頁(yè)面標題欄位于原理圖頁(yè)面的頁(yè)腳中。最好填寫(xiě)所有必需的詳細信息，例如頁(yè)面大小，更新日期，修訂版，文檔編號，電路的名稱(chēng)/功能以及公司免責聲明。標題欄的示例如下所示。

原理圖中的頁(yè)面標題欄

注釋/評論

設計人員需要編寫(xiě)有關(guān)電路的必要注釋。注釋可以寫(xiě)在獨立文檔或原理圖頁(yè)面上。通常，在復雜設計的單獨頁(yè)面上提供了注釋。注釋示例包括跳線(xiàn)狀態(tài)，PCB布局約束/準則等。帶有注釋的原理圖可以在下面看到。

帶有注釋和注釋的示意圖

修訂記錄

修訂歷史記錄包含對設計所做的更改。本文檔提供信息，例如所做更改的日期和說(shuō)明，作者和審閱者的姓名，以及審閱注釋?zhuān)ㄈ绻校?。修訂歷史記錄通常位于原理圖的第一頁(yè)或最后一頁(yè)。原理圖修訂歷史的示例如下所示。

原理圖的修訂歷史

示意圖文件目錄

目錄列出了原理圖文檔中存在的主題。擁有此頁(yè)面可幫助設計人員輕松地在復雜的大型設計中定位特定的模塊。如果設計小而簡(jiǎn)單，則可以跳過(guò)此步驟。下面給出了ToC的示例。

原理圖文件的目錄

框圖

該框圖表示設計和信號流中的不同模塊。這極大地幫助了審閱者理解設計以便進(jìn)行審閱?？梢栽谙旅婵吹绞疽庑钥驁D的示例。

原理圖的框圖
分層原理圖設計

如果設計復雜并且包含許多模塊，則最好具有分層設計。分層示意圖清楚地顯示了從一個(gè)模塊到另一個(gè)模塊的信號流，如下所示。通過(guò)單擊分層示意圖中的相應模塊，可以訪(fǎng)問(wèn)每個(gè)模塊的詳細視圖。

分層原理圖設計

組件引用

下表顯示了常用電子部件的名稱(chēng)，以及在任何示意圖中使用的相應電子參考標記。根據IEEE標準分配代號。建議使用其標準參考標記來(lái)命名組件。另外，請始終使用大寫(xiě)字母來(lái)指定原理圖符號。

零件	參考代號	零件	參考代號	零件	參考代號
電阻器	[R	插頭/連接器	P / CON	電源	聚苯乙烯
電容器類(lèi)	C	跳線(xiàn)	J.P	水晶	X或Y
二極管/ LED	d	電纜/電線(xiàn)	w ^	震蕩器	OSC
齊納二極管	?	測試點(diǎn)	p	散熱器	H
電阻網(wǎng)絡(luò )	n	中繼	?	基準的	Fd
電感/磁珠	大號	保險絲	F	蜂鳴器/揚聲器	最小二乘
IC（集成電路）	U / IC	轉變	西南	電池	英國電信

符號生成

示意圖由不同類(lèi)型的組件組成，例如有源組件，無(wú)源組件和連接器。有源組件包括晶體管，二極管，邏輯門(mén)，處理器IC，FPGA，運算放大器等。電容器，電感器和變壓器等組件稱(chēng)為無(wú)源設備。除非標準庫中沒(méi)有該組件的符號，否則不建議創(chuàng )建新的符號。

電阻器

電阻可以?xún)煞N不同的方式表示，如下所示。設計人員應注意保持所用符號的一致性。

電阻符號

電阻的單位是歐姆，并用符號“Ω”表示。有時(shí)，符號“Ω”可以替換為字母“ E”。設計人員應確保在整個(gè)設計中應遵循一致的單位表示形式。有關(guān)組件的所有必需數據都應輸入到設計工具中。這使得在設計結束時(shí)更容易創(chuàng )建BOM（物料清單）。

極化和非極化電容器

電容器有兩個(gè)端子，一個(gè)為正極，一個(gè)為負極。請注意標記這些端子的極性。電容器端子的極性錯誤可能導致爆炸。下圖顯示了IEEE標準中的電容器符號。

極化和非極化電容器

設計人員還應確保分配給符號的引腳號應與布局布局完全匹配。

晶體管

晶體管是三端半導體器件。端子是基極，集電極和發(fā)射極。設計人員在將引腳布局中的引腳映射到原理圖符號時(shí)，應始終參考組件數據手冊。

帶有引腳號的晶體管符號

創(chuàng )建符號后，輸入組件說(shuō)明很重要。這對于將來(lái)參考或零件已過(guò)時(shí)且需要更換時(shí)非常有用。在BOM上具有這些詳細信息可以提高可讀性。下面的兩個(gè)圖像顯示了晶體管符號的完全填充的描述字段。

晶體管的符號說(shuō)明

組件的符號描述（圖片來(lái)源：Altium）

運算放大器

根據IEEE標準創(chuàng )建運算放大器的符號非常重要。許多設計人員經(jīng)常根據其便利性來(lái)設計運放，這往往會(huì )降低可讀性。由于缺乏對CAD原理圖工具的了解和經(jīng)驗，可能會(huì )發(fā)生這種情況。 

運算放大器符號

創(chuàng )建符號時(shí)，建議將所有輸入引腳放在左側，將所有輸出引腳放在右側。同樣，電源和接地引腳可以分別放在頂部和底部。在所示的圖像中，輸入引腳為2和3，輸出引腳為4，電源和接地引腳分別為7和4。

設計師在翻轉或更改符號方向時(shí)應格外小心。當我們這樣做時(shí)，正極端子和負極端子很可能會(huì )切換其位置。因此，應注意將每個(gè)符號與制造商的數據表進(jìn)行核對。

異構示意圖符號

諸如FPGA，存儲器，微處理器之類(lèi)的復雜設備被稱(chēng)為異構組件。這些組件具有大量不同類(lèi)型的引腳，例如數據線(xiàn)，輸入/輸出，地址線(xiàn)，控制線(xiàn)和電源線(xiàn)。為了保持清晰度和可讀性，預計設計人員應在單個(gè)包裝中創(chuàng )建多個(gè)組件，例如UxA，UxB，UxC和UxD。下面給出了組件的這種異構示意圖符號的示例。

組件的異構示意圖符號

電源和接地符號

電源和接地引腳的符號如下所示。

電源和接地符號

用“ +”號表示電壓始終是一個(gè)好主意，因為板上可能存在負電壓。設計人員應遵循標準且一致的約定，以表示硅片內部的電壓電平及其截面。例如+ 3.3V_IO，+ 3.3V_DG，+ 3.3V_AN + 1.8V_Core，+ 1.2V_LVCore，+ 2.5_Vref等

同樣，板上可能存在不同類(lèi)型的接地。符號如下所示。

不同類(lèi)型的地面符號

網(wǎng)絡(luò )連接

每當您有兩條形成結并共享電氣連接的電線(xiàn)時(shí)，該交叉點(diǎn)都需要有一個(gè)結點(diǎn)。這是每個(gè)原理圖設計中的標準做法。

原理圖設計中的網(wǎng)絡(luò )連接

凈標簽約定

原理圖的目的是使設計人員更容易理解您的電路。不必要的網(wǎng)絡(luò )連接應減至最少。在原理圖上繪制集成電路（IC）的符號時(shí)通常會(huì )觀(guān)察到這種情況。 

設計人員不必在各處繪制數十個(gè)網(wǎng)，而要為特定引腳指定一個(gè)網(wǎng)名，該網(wǎng)名與另一個(gè)設備上的引腳相關(guān)聯(lián)。這些引腳將具有相同的名稱(chēng)。假定連接了相同名稱(chēng)的引腳。這提高了原理圖的可讀性。下圖顯示了一系列命名的網(wǎng)絡(luò )。

凈標簽約定

凈標簽準則

當網(wǎng)絡(luò )在同一頁(yè)面上直接連接到另一個(gè)IC時(shí)，則不需要網(wǎng)絡(luò )命名。但是，如果要將網(wǎng)絡(luò )連接到另一頁(yè)上的IC，則需要命名。

設計人員在命名網(wǎng)絡(luò )時(shí)可以遵循以下簡(jiǎn)單規則：

信號名稱(chēng)應始終以大寫(xiě)形式書(shū)寫(xiě)，并應放置在網(wǎng)絡(luò )上方。

避免使用長(cháng)名。優(yōu)選地，名稱(chēng)最多可以包含4個(gè)字母。 

使用上方的指示條描述活動(dòng)的低信號或高信號。帶有高條的引腳被認為是有效的低引腳。

開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )/連接應刪除。

頁(yè)外連接 

為了提高可讀性，設計人員通常在原理圖中命名網(wǎng)絡(luò )。當信號要連接在同一頁(yè)面上時(shí)，這可以很好地工作。如果需要將網(wǎng)絡(luò )連接到另一頁(yè)上的引腳，則應使用頁(yè)外連接器符號。

信號流表示

在原理圖頁(yè)面上，信號從頁(yè)面的左側流向右側。任何電源和接地連接都顯示在頁(yè)面的頂部或底部。建議設計人員牢記這一點(diǎn)，并相應地保留組件。

元件放置

原理圖中的元件放置是重要的任務(wù)之一。這是因為布局工程師將相應地保留組件。電容器的并聯(lián)顯示在左側。如我們所見(jiàn)，原理圖的可讀性達不到標準。

原理圖中電容器的并聯(lián)

為了提高可讀性，可以如下所示進(jìn)行連接。 

原理圖中電容器的優(yōu)選并聯(lián)連接

水晶擺放

原理圖中的晶振放置始終如下圖所示。連接到晶體的組件總是放置在晶體附近，因為信號可能是高頻的。

原理圖中的晶體放置

DRC檢查

設計規則檢查（DRC）是CAD軟件提供的一項智能功能，用于檢查設計的邏輯和物理完整性。根據所有已啟用的設計規則進(jìn)行檢查，并且可以在設計時(shí)在線(xiàn)進(jìn)行檢查。

網(wǎng)表驗證

當原理圖設計完成并準備好在布局中導入時(shí)，將生成網(wǎng)表。網(wǎng)表文件可以具有兩個(gè)不同的擴展名（.mnl和.txt）。.mnl文件是計算機可讀的。.txt文件顯示組件引腳之間的所有連接/網(wǎng)絡(luò )。建議手動(dòng)驗證網(wǎng)絡(luò )，以避免設計錯誤。

物料清單（BOM）

當前，CAD工具提供了稱(chēng)為BOM創(chuàng )建的關(guān)鍵功能。僅當設計人員在庫中創(chuàng )建或導入組件時(shí)提供了工具中的所有輸入時(shí)，才能生成完整且足夠的BOM。BOM的輸入可以是MPN（制造零件編號），包裝，供應商名稱(chēng)，供應商零件編號等。建議在符號創(chuàng )建期間提供所有必需的信息。

原理圖清單

邏輯示意圖清單是邏輯示意圖創(chuàng )建中最常被忽略的點(diǎn)。這與根據過(guò)去的設計經(jīng)驗確定的組織過(guò)程更為相關(guān)。擁有檢查清單可以避免原理圖中的錯誤，并使設計更堅固。以下是清單。

對于與數據表有關(guān)的每個(gè)組件，都應驗證引腳編號和標簽。

 應該對所有極化組件進(jìn)行極性檢查。

檢查標簽和針腳編號是否重疊。

用數據表，原理圖符號和封裝封裝驗證所有晶體管的基極，集電極和發(fā)射極引腳。 

驗證組件的值，參考標記和位置。  

確保存在示意圖符號說(shuō)明。（MPN，供應商名稱(chēng)，供應商部件號等）。

檢查頁(yè)面外連接器。

尋找表間參考。

去耦電容會(huì )檢查所有IC，并根據信號類(lèi)型（模擬，數字，信號，接地）隔離接地引腳。

BOM檢查數量和零件編號。

當設計人員使用CAD工具繪制電路時(shí)，應注意，原理圖設計是布局設計人員的輸入。布局設計人員期望沒(méi)有錯誤的原理圖，以便布局結構合理且準確。